JPH011221A - Method for manufacturing polarizable electrodes - Google Patents

Method for manufacturing polarizable electrodes

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JPH011221A
JPH011221A JP62-156842A JP15684287A JPH011221A JP H011221 A JPH011221 A JP H011221A JP 15684287 A JP15684287 A JP 15684287A JP H011221 A JPH011221 A JP H011221A
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JP
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carbon
activated carbon
polarizable electrode
manufacturing
present
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昭彦 吉田
敦 西野
棚橋 一郎
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松下電器産業株式会社
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、電気二重層キャパシタ、二次電池。[Detailed description of the invention] Industrial applications The present invention relates to an electric double layer capacitor and a secondary battery.

エレクトロクロミックデイスプレィ、などに用いる分極
性電極の製造方法に関するものである。
The present invention relates to a method for manufacturing polarizable electrodes used in electrochromic displays and the like.

従来の技術 電気二重層キャパシタなどに用いられる分極性電極とし
ての活性炭は、比表面積が大きなことが第1条件として
あげられる。この目的で従来おがくずを水蒸気賦活した
活性炭粉末や、フェノール樹脂系繊維を炭化賦活した活
性炭繊維、などが用いられている。これらの賦活はその
ほとんどが8oO〜1600℃の高温化で水蒸気、CO
21炭化水素などを賦活ガスとして用いて行っている。
BACKGROUND ART The first condition for activated carbon as a polarizable electrode used in electric double layer capacitors and the like is that it has a large specific surface area. For this purpose, activated carbon powder made by steam-activating sawdust and activated carbon fiber made by carbonizing phenol resin fibers have been used. Most of these activations occur at high temperatures of 8oO to 1600℃, resulting in the release of water vapor and CO.
21 hydrocarbons etc. are used as the activating gas.

また活性炭の表面に蓄積される電気二重層容量の取出し
を効率的に行うために、プラズマ溶射法によりAl集電
層を形成する技術も開発されている。第3図は、このよ
うな電気二重層キャパシタの一例の断面構造図であり、
活性炭繊維より成る分極性電極100.この上のプラズ
マ溶射により形成されたAl集電極1o1.セパレータ
102゜金属ケース103,104およびガスケットリ
ング105から成る。分極性電極1ooおよびセパレー
タ102にはテトラエチルアンモニウムバークロレート
をプロピレンカーボネートに溶解した電解液が含浸され
ている。
Furthermore, in order to efficiently extract the electric double layer capacity accumulated on the surface of activated carbon, a technique has also been developed in which an Al current collecting layer is formed by plasma spraying. FIG. 3 is a cross-sectional structural diagram of an example of such an electric double layer capacitor,
Polarizable electrode 100 made of activated carbon fiber. Al collector electrode 1o1. formed by plasma spraying on this. Separator 102 consists of metal cases 103, 104 and gasket ring 105. The polarizable electrode 1oo and the separator 102 are impregnated with an electrolytic solution in which tetraethylammonium verchlorate is dissolved in propylene carbonate.

発明が解決しようとする問題点 従来、活性炭を得るためには、前述のように、8oo〜
1500tl:の高温下でH2Oなどの酸素を含有する
酸化性ガスを炭素粉末、炭素繊維に反応させていた。こ
の時の反応は式1に示すものである。
Problems to be Solved by the Invention Conventionally, in order to obtain activated carbon, as mentioned above, 8oo~
Oxidizing gas containing oxygen such as H2O was reacted with carbon powder and carbon fibers at a high temperature of 1500 tl. The reaction at this time is shown in Formula 1.

高温 Cn+H20−m−C,,十Cot+H2↑・(1)す
なわち、高温下で水蒸気ガス中の酸素原子が炭素と反応
して自らはco、H2ガスとなり、炭素はCn−1とな
っていくことにより表面に微細な細孔を形成し多孔質化
し、比表面積が1oOO〜2500m’/9の活性炭を
得ていた。ところで、このようにして得られた活性炭の
表面には、第4図に見られるように炭素原子のほかにカ
ルボキシ基、フェノール系水酸基、ラクトン基、などの
形で酸素原子が存在することはまぬがれないことであっ
た。この量は、酸性官能基の濃度としては炭素1y当た
り1mmole以下であり非常に小さな値であるが、こ
れを電気二重層キャパシタなどの分極性電極として用い
た時、このサイトが電解液との反応活性点となり、電解
液の分解を促進することがあった。
High temperature Cn+H20-m-C,, 10 Cot+H2↑・(1) In other words, at high temperature, oxygen atoms in water vapor gas react with carbon and themselves become co and H2 gas, and carbon becomes Cn-1. Activated carbon with a specific surface area of 1000 to 2500 m'/9 was obtained by forming fine pores on the surface and making it porous. By the way, it is obvious that on the surface of the activated carbon thus obtained, in addition to carbon atoms, oxygen atoms exist in the form of carboxy groups, phenolic hydroxyl groups, lactone groups, etc., as shown in Figure 4. There was no such thing. This amount is a very small value as the concentration of acidic functional groups is less than 1 mmole per y of carbon, but when this is used as a polarizable electrode such as an electric double layer capacitor, this site will react with the electrolyte. They could become active sites and promote the decomposition of the electrolyte.

このため、キャパシタの漏れ電流、耐圧向上の点でこの
ような酸性官能基の存在は好しいものではなかった。
Therefore, the presence of such acidic functional groups is not desirable in terms of improving leakage current and withstand voltage of the capacitor.

さらに、上で述べたような高温下での固−気反応では式
1の進行による炭素表面の高多孔質化には限界があり、
出発原料にもよるが、比表面積で2700rr?/f程
度までが限界であった。キャノくシタの容量などは、活
性炭の比表面積の値が直接正比例するために、これをさ
らに高くすることが、キャパシタ高容量化のために望ま
れる。
Furthermore, in the solid-gas reaction at high temperatures as described above, there is a limit to how much the carbon surface can become highly porous due to the progression of Equation 1.
It depends on the starting material, but the specific surface area is 2700rr? /f was the limit. Since the capacitance of the capacitor is directly proportional to the specific surface area of the activated carbon, it is desirable to further increase the capacitance in order to increase the capacitance of the capacitor.

問題点を解決するための手段 本発明は、このような従来の問題を解決するために、炭
素または活性炭の表面をイオンビーム照射、もしくはプ
ラズマスパッタリングすることによって活性化すること
を特徴とする分極性電極の製造方法に関するものである
Means for Solving the Problems In order to solve such conventional problems, the present invention provides a polarizable material characterized in that the surface of carbon or activated carbon is activated by ion beam irradiation or plasma sputtering. The present invention relates to a method for manufacturing an electrode.

作  用 本発明によれば、表面の酸素濃度が非常に低く、比表面
積が従来の活性炭より高い活性炭を得ることができ、こ
れを分極性電極として用いた電気二重層キャパシタの容
量、内部抵抗、漏れ電流などの特性を大巾に改善するこ
とができる。
Effects According to the present invention, it is possible to obtain activated carbon which has a very low surface oxygen concentration and a higher specific surface area than conventional activated carbon, and which improves the capacitance, internal resistance, and Characteristics such as leakage current can be greatly improved.

実施例 本発明の具体的な実施例を述べる前に、本発明の基本的
な内容について図面に従って説明する。
Embodiments Before describing specific embodiments of the present invention, the basic contents of the present invention will be explained with reference to the drawings.

第1図は、本発明に用いる炭素の活性化のための装置の
一例である。ロータリーポンプ1.拡散ポンプ2で排気
された反応室3の中に、処理用試料を置くための導電性
電極4と陽極6との相対向している。ガス導入孔6から
導入されたArガスにより反応室内の真空度は1o−2
〜10−’t or rに保たれ、マツチングボックス
7、RF電源8によりペルジャー内にArプラズマ9が
発生する。処理試料1oはこのArプラズマ9の中にさ
らされる。11.12は冷却水である。この時、加速さ
れたAr+jCよって炭素表面はたたかれ、原子の飛行
エネルギの交換によって表面炭素原子が炭素基体から放
出されこの部分にぬけ穴ができて炭素が多孔質化してい
く。この経過は、炭素をスパッタリングのターゲツト材
として用いていることと同等である。この図ではRF2
型グロー放電型高周波スパッタの方法を示しているが、
直流スパッタ。
FIG. 1 is an example of an apparatus for activating carbon used in the present invention. Rotary pump 1. In a reaction chamber 3 evacuated by a diffusion pump 2, a conductive electrode 4 for placing a sample for processing and an anode 6 face each other. The degree of vacuum in the reaction chamber is 1o-2 due to the Ar gas introduced from the gas introduction hole 6.
~10-'torr is maintained, and Ar plasma 9 is generated in the Pel jar by the matching box 7 and the RF power source 8. The processed sample 1o is exposed to this Ar plasma 9. 11.12 is cooling water. At this time, the carbon surface is struck by the accelerated Ar+jC, and surface carbon atoms are ejected from the carbon substrate due to the exchange of flight energy of the atoms, creating holes in this area and making the carbon porous. This process is equivalent to using carbon as a sputtering target material. In this figure, RF2
The method of glow discharge type high frequency sputtering is shown.
DC sputtering.

マグネトロンRFスパッタなどによるプラズマ中に炭素
材料をさらしてもよい。さらに、加速したイオンビーム
(例えばAr”4オンビーム)を衝突させても良い。第
2図は、本発明の炭素が活性化する過程を模式的に示し
たものである。すなわち、炭素基体15にArイオン1
6が衝突し表面炭素原子17が基体15から放出され、
ここにぬけ穴が生じ、これがくり返されることによって
基体16の表面が多孔質化していく。この時用いる炭素
基体16は炭素でも良いし、従来の水蒸気賦活法などで
得られた活性炭素でもよい。特に後者の場合は、表面の
酸性官能基の除去も多孔質化と同時に起きる。
The carbon material may be exposed to plasma such as by magnetron RF sputtering. Further, an accelerated ion beam (for example, an Ar"4 on beam) may be collided with the carbon substrate 15. FIG. Ar ion 1
6 collides and surface carbon atoms 17 are released from the substrate 15,
A hole is formed here, and as this hole is repeated, the surface of the base body 16 becomes porous. The carbon substrate 16 used at this time may be carbon or activated carbon obtained by a conventional steam activation method. Particularly in the latter case, the removal of acidic functional groups on the surface also occurs simultaneously with the formation of porosity.

次に本発明の具体的な実施例について述べる。Next, specific examples of the present invention will be described.

(実施例−1) 炭素化したフェノール樹脂系繊維(直径107a。(Example-1) Carbonized phenolic resin fiber (diameter 107a.

炭素含有率95%)から成る織布(目付14oy/′r
r?)を第1図に示す装置によって処理する。処理時間
は30分、処理した織布の片面にプラズマ溶射法により
厚さ100/1mのアルミニウム層を形成する。セパレ
ータ電解液(テトラエチルアンモニウムバークロレート
のプロピレンカーボネート溶液1mol/l)を用いて
第 図に示すキャパシタを試作する。電極の直径は6圏
である。
Woven fabric (carbon content 95%) (basis weight 14oy/'r
r? ) is processed by the apparatus shown in FIG. The treatment time was 30 minutes, and an aluminum layer with a thickness of 100/1 m was formed on one side of the treated fabric by plasma spraying. Using a separator electrolyte (propylene carbonate solution of tetraethylammonium verchlorate 1 mol/l), a capacitor shown in FIG. 1 is prototyped. The diameter of the electrode is 6 circles.

(実施例−2) 活性炭化したフェノール樹脂系繊維(直径1Q 74m
 、  炭素含有率94%、比表面積2000rr?/
9)から成る織布(目付14oy/m”)を実施例−1
と同じ方法で処理し、同じ〈実施例−1と同じキャパシ
タを試作する。
(Example-2) Activated carbonized phenolic resin fiber (diameter 1Q 74m
, Carbon content 94%, specific surface area 2000rr? /
9) Example 1
The same capacitor as in Example 1 was produced as a prototype by processing in the same manner as in Example 1.

(比較例−1) 実施例−1で本発明の処理をしない炭素線維を電極に用
いる。
(Comparative Example-1) In Example-1, carbon fibers not subjected to the treatment of the present invention are used for electrodes.

(比較例−2) 実施例−2で本発明の処理をしない活性炭素繊維を電極
に用いる。
(Comparative Example-2) In Example-2, activated carbon fibers not subjected to the treatment of the present invention are used for electrodes.

以上のキャパシタの特性を表に示す。The characteristics of the above capacitor are shown in the table.

本実施例ではArスパッタリングのみについて示したが
イオンビーム法でも同等の効果が得られ、用いる気体は
酸素、アンモニア、CF4などのガスが適する。酸素を
用いた時は、炭素表面が若干酸化され、官能基減少の効
果は得られないが、高比表面積化は達成される。
In this embodiment, only Ar sputtering is shown, but the same effect can be obtained by using an ion beam method, and gases such as oxygen, ammonia, and CF4 are suitable as the gas used. When oxygen is used, the carbon surface is slightly oxidized and the effect of reducing functional groups cannot be obtained, but a high specific surface area can be achieved.

炭素基体として、粉末、板、焼結体、グラファイト、ア
モルファス炭素、いずれも適用可能である。
Any of powder, plate, sintered body, graphite, and amorphous carbon can be used as the carbon substrate.

炭素材を用いた例として電気二重層キャパシタについて
述べたが、二次電池、エレクトロクコミックデイスプレ
ーの分極性電極への適用効果も大きい。
Although we have described electric double layer capacitors as an example of using carbon materials, the present invention can also be greatly applied to polarizable electrodes for secondary batteries and electrocomic displays.

発明の効果 本発明によれば、プラズマ雰囲気、イオンビーム照射な
どの減圧雰囲気中で炭素が活性化されるだめ、従来の高
温水蒸気賦活法によるものと異った全く新しい活性炭が
得られ、これを用いたキャパシタなどの特性を大巾に改
善することが可能:(なる。
Effects of the Invention According to the present invention, since carbon is activated in a reduced pressure atmosphere such as a plasma atmosphere or ion beam irradiation, a completely new activated carbon different from that obtained by the conventional high-temperature steam activation method can be obtained. It is possible to greatly improve the characteristics of the capacitor used.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明に用いる炭素基材処理装置の一例を示す
図、第2図は本発明処理の原理を示す模式図、第3図は
活性炭繊維分極性電極を用いたコイン型キャパシタの断
面構造図、第4図は炭素の表面官能基を模式的に示す図
である。 1・・・・・・ロータリーポンプ、2・・・・・・拡散
ポンプ、3・・・・・・反応室、4・・・・・・電極、
6・・・・・・陽極、6・・・・・・ガス導入口、7・
・・・・スイッチングボックス、8・・・・・・RF主
電源9・・・・・・Arプラズマ、10・・・・・・処
理試料。
Fig. 1 is a diagram showing an example of the carbon substrate processing apparatus used in the present invention, Fig. 2 is a schematic diagram showing the principle of the processing of the present invention, and Fig. 3 is a cross section of a coin-shaped capacitor using activated carbon fiber polarizable electrodes. The structural diagram, FIG. 4, is a diagram schematically showing the surface functional groups of carbon. 1... Rotary pump, 2... Diffusion pump, 3... Reaction chamber, 4... Electrode,
6...Anode, 6...Gas inlet, 7.
... Switching box, 8 ... RF main power supply 9 ... Ar plasma, 10 ... Processing sample.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)炭素または活性炭の表面をイオンビーム照射、も
しくはプラズマスパッタリングすることによって活性化
することを特徴とする分極性電極の製造方法。
(1) A method for producing a polarizable electrode, which comprises activating the surface of carbon or activated carbon by ion beam irradiation or plasma sputtering.
(2)炭素または活性炭が、板、シート、繊維、多孔質
成型体のいずれかの形状を有することを特徴とする特許
請求の範囲第1項記載の分極性電極の製造方法。
(2) The method for producing a polarizable electrode according to claim 1, wherein the carbon or activated carbon has the shape of a plate, sheet, fiber, or porous molded body.
(3)イオンビーム照射もしくはプラズマスパッタリン
グが、窒素、Arなどの不活性ガス中でなされることを
特徴とする特許請求の範囲第1項記載の分極性電極の製
造方法。
(3) The method for manufacturing a polarizable electrode according to claim 1, wherein the ion beam irradiation or plasma sputtering is performed in an inert gas such as nitrogen or Ar.
(4)イオンビーム照射もしくはプラズマスパッタリン
グが、酸素、アンモニア、CF_4などの活性ガス中で
なされることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の
分極性電極の製造方法。
(4) The method for manufacturing a polarizable electrode according to claim 1, wherein the ion beam irradiation or plasma sputtering is performed in an active gas such as oxygen, ammonia, or CF_4.
(5)活性化の後に、プラズマ溶射法によってAl、T
i、Nb、Hf、Zr、Taのいずれかを炭素または活
性炭の表面に形成することを特徴とする特許請求の範囲
第1項記載の分極性電極の製造方法。
(5) After activation, Al, T
2. The method for manufacturing a polarizable electrode according to claim 1, wherein any one of i, Nb, Hf, Zr, and Ta is formed on the surface of carbon or activated carbon.
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